催化裂化装置中烟气催化剂对烟气轮机运行影响

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(1.渤海装备兰州石油化工机械厂， 甘肃 兰州 730060；2.甘肃省炼化特种装备工程技术研究中心， 甘肃 兰州 730060)

烟气轮机是炼油厂催化裂化装置能量回收系统中主风机组的关键设备之一。催化裂化装置中的催化剂在高温下与重质油发生裂化反应，使重质油转变为裂化气、汽油和柴油等。在此过程中，催化剂的表面会附着油焦而活性降低。因此，必须进行再生处理[1-2]。

催化裂化装置运行过程中，主风机组中的轴流风机将压缩空气送入辅助燃烧室进行高温加热，加热后的高温压缩空气经辅助烟道通过主风分布管进入再生器烧焦罐底部，从反应器过来的催化剂在高温大流量主风的作用下被加热上升，同时通过器壁分布的燃油喷嘴喷入燃油调节反应温度，这样催化剂表面附着的油焦在高温下燃烧分解为烟气。烟气进入集气室汇合后排入烟道，催化剂进入再生斜管送至提升管再生利用[1-2]。

烟气轮机的工作介质是经过三级旋风分离器后的气固两相流高温烟气(650～700 ℃)，其中含有少量未分离而跑损的催化剂颗粒。文中从催化剂本身方面出发，在收集了各炼油厂对烟气中催化剂含量控制方面一些经验的基础上，从烟气轮机本身设计及加工制造方面出发提出了改进措施，这也是目前绝大部分烟气轮机生产制造的实际状况。

1 催化裂化装置能量回收系统

催化裂化装置的再生烧焦要控制一定的氧分压，再生烧焦过程又是放热反应，所以离开再生器的烟气的压力和温度均较高。为了充分回收烟气的压力能和热能，世界上大型的催化裂化装置均配置烟气能量回收系统，见图1。

图1 催化裂化装置能量回收系统流程图

尽管烟气能量回收系统技术较为复杂，但经济效益十分显著。而这些能量的回收是通过催化裂化装置中主风机组实现的。

主风机组是催化裂化装置的核心机组之一，在催化裂化装置中具有十分重要的地位，主风机组构成见图2。

图2 主风机组示图

如果主风机组中的主风机停运，催化裂化装置也就停止正常生产。从工艺角度而言，主风机的主要作用包括提供烧焦需要的氧气、保证再生器内的催化剂处于烧焦状态、使再生器内压力平衡以及由烟气轮机所输出的机械能有富余的情况下带动电动发电机发电[3-4]。

2 烟气轮机运行中存在问题

2.1 高温烟气中催化剂对动叶片的冲蚀

某厂烟气轮机在运行一个周期后停机检修，拆卸后发现烟气中催化剂含量超标，动叶片被严重冲蚀，见图3。

图3 被催化剂严重冲蚀的动叶片

烟气轮机动叶片局部磨损残缺，叶身几何尺寸遭到严重破坏。如果长期处于这样的工况，动叶片则会造成因催化剂冲蚀破坏叶身而造成自身强度降低，并最终发生断裂事故。

2.2 催化剂结垢

2.2.1动、静叶片叶身部位结垢

烟气轮机运行过程中，如果高温烟气中的催化剂含量长期超标，催化剂颗粒会在烟气轮机流道内动、静叶片叶身部位逐渐附着并结垢，见图4。

图4 催化剂在动叶片叶身结垢

随着日积月累，动、静叶片气动通流部位气流阻塞，改变了烟气轮机原来的气动设计，导致烟气轮机回收效率下降，烟气轮机输出功率相应减小。由此不仅浪费了部分可回收能源，而且为了维持再生器的正常运行还加大了电机的输出能耗，整个能量回收系统功效基本没有被发挥出来。

2.2.2过渡衬环流道表面结垢

高温烟气中部分催化剂还会在烟气轮机过渡衬环流道表面附着，典型的结垢现状见图5。

图5 催化剂在过渡衬环流道表面结垢现状

过渡衬环和动叶片装配时，需严格控制二者的安装间隙，既要考虑动叶片在高温流场内高速旋转时二者间的最小安全间隙，还要考虑安装间隙的大小对于烟气轮机回收效率的影响。只有使动叶片和过渡衬环的安装间隙处于一个最佳设计范围，才能保证烟气轮机安全稳定高效运行。

如果催化剂的附着、结垢改变了叶顶间隙，则将导致动叶片叶顶与结垢的催化剂表面碰磨损伤，严重时可导致动叶片发生断裂，造成整个装置停车。

3 烟气轮机存在问题原因分析

3.1 催化剂冲蚀动叶片

烟气轮机流道内介质为气固两相的高温烟气，动叶片工作环境恶劣。虽然目前采用长城系列喷涂层来提高其抗冲蚀性能，但当烟气轮机运行工况发生某种变化，例如高温烟气中催化剂含量大量增加时，就会加剧动叶片保护涂层的破坏。

根据大量研究表明，动叶片一次流磨损经验公式为：

E=KZv2d3α

式中，E为磨损量；K为系数(与粒子的硬度、密度及叶片或涂层的性质有关)；Z为催化剂质量浓度(标准状况下)，mg/m3；v为粒子速度，m/s；d为粒子直径，μm；α为冲击角度系数。

从上述公式可以看出，催化剂粒子直径三次方与叶片磨损量成正比关系，对上式结果的影响尤为突出。当烟气中大直径催化剂粒子含量增加时，就会加剧对叶片的磨损。

3.2 催化剂结垢问题

3.2.1动、静叶片叶身部位结垢

新型催化剂的使用，使得烟气在适宜的温度、湿度下生成低熔点共晶体。当烟气通过动叶片时，由于自身做功的缘故产生焓降，烟气温度达到了低熔点共晶体的产生温度(500～570 ℃)。低熔点共晶体让催化剂变得比较黏稠，一些细小催化剂粉末由于摩擦带静电荷而具备一定吸附性能，在动、静叶片流道形成涡流部位渐渐吸附沉积下来[5-6]。

3.2.2过渡衬环流道表面结垢

烟气轮机使用过程中，采用过热蒸汽对烟机轮盘进行冷却。这些冷却蒸汽进入流道后与高温烟气混合，其中烟气中一些较大直径的催化剂颗粒与冷却蒸汽结合后易形成低熔点共晶体，使得催化剂变得比较黏稠，在流道内离心力作用下容易粘结在过渡衬环内表面。当过渡衬环流道表面催化剂堆积到一定厚度时，就会和动叶片叶顶部位发生动静摩擦，摩擦所产生的高温高压可以进一步烧结催化剂，让催化剂变的更加坚固、坚硬[7-8]。

3.2.3催化剂结垢影响动叶片发生断裂

烟气轮机动叶片运行工况恶劣，叶身及榫齿承受复杂多变的交变应力：①动叶片在高速旋转的同时承受巨大的离心力、介质作用力。②各种受力情况下动叶片内部承受拉应力及弯曲应力。③当过渡衬环流道表面催化剂结垢物和动叶片发生动静摩擦时，发生动静摩擦处温度急剧升高，使动叶片承受额外的摩擦力和由此产生的弯曲应力。④动叶片长期处于一个不均衡的温度场内，还将承受温度变化所带来的热应力[9-11]。动叶片长期工作于上述复杂工况下，叶顶部位及叶片第一榫齿表面由于疲劳产生微小裂纹源，并在一段时间内发生裂纹延伸和扩展，最终发生疲劳断裂。

流道内高温烟气含有硫、氯等腐蚀性元素和少量蒸汽，当叶片外表保护涂层被冲蚀掉后，这些腐蚀性元素就会在叶片外表面应力相对比较集中部位产生应力腐蚀，宏观上会出现一些小腐蚀凹坑(图6)，这些腐蚀坑内由于应力集中导致材料强度不够生成裂纹。裂纹源在腐蚀介质和内应力的共同作用下，加剧延伸发展，最终导致叶片断裂[12-13]。

图6 叶片表面冲蚀部位应力腐蚀

4 改进措施

4.1 催化剂

4.1.1催化剂含量及粒度分布监控

从动叶片磨损经验公式可以看出，大直径的催化剂颗粒对叶片的破坏是很明显的。HG/T 3650—2012《烟气轮机技术条件》[14]对烟气中催化剂颗粒的浓度和颗粒直径有明确的规定，催化剂质量浓度(标准状况下)不能大于200 mg/m3，其中直径大于10 μm的颗粒质量不能超过总质量的3%。因此，要求在装置开工后加大流道内烟气催化剂含量及分布的监测频率并且及时调整到合适的范围。

4.1.2改进催化剂性能

催化剂中的钠、钒、钙、磷及硫等元素和蒸汽结合容易在流道内形成低熔点共晶体，需要从催化剂的制造工艺出发，减少这些有害元素的含量或者破坏其形成低熔点共晶体的条件。因此，有必要提高催化剂颗粒的耐磨损指数和强度，以减少催化剂粉末的形成[15]。

4.1.3在线热循环方法除垢

烟气轮机运行过程中，可以通过调节烟机入口蝶阀来增大轮盘冷却蒸汽量，并以此改变烟气流量及温度。利用结垢催化剂和其结垢面线膨胀系数不同的特性，让附着在流道内的催化剂结垢物分离脱落，达到除垢和降低烟机振动的目的。

4.2 烟气轮机结构改进

4.2.1过渡衬环豪克能工艺处理

为防止催化剂冲蚀和结垢，流道表面精加工后进行豪克能工艺处理，使得流道表面形成压应力。表面硬度和粗糙度都得以较大提升，破坏了催化剂在此处结垢的条件，催化剂颗粒不易附着在此处流道表面，见图7。

图7 过渡衬环内表面豪克能处理

4.2.2改进轮盘冷却系统

轮盘冷却蒸汽采用的是1.0 MPa过热蒸汽，其在不同工况下的使用量有明确要求。为了减少蒸汽与催化剂结合产生低熔点共晶体，现场操作应尽量减少蒸汽用量，保证轮盘工作温度在允许范围上限。另外，蒸汽在管道内部输送过程会有部分热量的损失，造成冷却蒸汽品质变差，可在轮盘冷却蒸汽入口管线附近增加加热盘管，以提高冷却蒸汽的入口温度，减少因蒸汽品质不好所带来的不利影响。

4.2.3改进轮盘冷却蒸汽冷却结构

烟气轮机轮盘冷却蒸汽冷却结构改进前后示意图见图8。

图8 轮盘冷却蒸汽冷却结构改进前后示意图

从图8a可知，原轮盘冷却蒸汽进入烟气轮机轮盘前侧后，沿轮盘径向流动，经由动叶片前侧混入高温烟气后驱动叶片输出机械能。

在这种结构下，烟机轮盘冷却蒸汽和做功前烟气存在交叉混合，势必会影响做功前烟气所含能量，进而影响到烟机输出功。

从图8b可知，结构上优化设计后在轮盘前侧设置一道可拆卸密封结构，轮盘上加工冷却蒸汽导流孔。冷却蒸汽与做功前的高温烟气隔绝阻断，同时烟气中催化剂和蒸汽也不再结合，杜绝了此处催化剂结垢的条件。通过轮盘上设计的冷却蒸汽导流孔将冷却蒸汽导流至轮盘后侧，直接经壳体和做功后烟气混合一同排出。

5 结语

烟气轮机设计制造采取上述设计方案优化后已成功运用于实际生产。截止到目前，烟气轮机关键零部件运行平稳，有效降低了催化剂在烟气轮机运行过程中带来的危害，达到了主风机组安全平稳长周期运行的目的。